基于PLC的刨花拌胶控制系统设计黄强

1、 PAGE26 / NUMPAGES30师学院本科生毕业设计（论文）题 目 基于PLC的刨花板生产线控制系统设计 专 业 电气工程与其自动化 院 系 物理与电子工程学院 学 号 0809430417姓 名 黄 强 指 导 教 师 袁 亮 讲师 答 辩 时 间 二零一二年五月 工作时间：2011年12月至2012年5月基于PLC的刨花板生产线控制系统设计学生：黄强 指导老师：袁亮 摘 要：随着我国十二五规划的进一步推进，国家对各项基础设施投资力度的进一步加大，市场对优质刨花板的需求将进一步提高。为此，如何提供质优价廉、性能可靠、节能环保、维护方便的刨花板生产设备，变成了设备厂商急需解决的问题。本

2、文中的刨花生产线控制系统应用了西门子S7-200系列的PLC完成该系统中刨花拌胶、搅拌控制。搅拌机生产控制系统的刨花由螺旋给料机提供，压力传感器负责检测刨花量。胶由胶泵抽给，电磁流量计检测胶流量；刨花和胶按一定的比例送到搅拌机搅拌，然后将混和料供给下一道工序蒸压成型。要求胶量和刨花量恒定，并有一定比例关系，即胶量随刨花量的变化而变化，误差要求3%；刨花回路采用比例控制，胶回路采用PI控制。双轴搅拌机利用两根呈对称状的螺旋轴同步旋转，搅拌机的喷胶器使胶呈雾状喷射到刨花中。该系统配备的混胶器可以使固化剂与胶在其中混合，而不是把固化剂直接加到调胶罐中。本系统具有搅拌均匀、施胶量低等功能。调胶系统采用

3、PLC集中控制，PLC根据各部传感器得到刨花的重量、含水率，来调整施胶量。使施胶后的刨花含水率控制在理想的状态上。这样的优点是在生产线临时停机时，可以避免胶的浪费，节省了大量的资金和生产原料。关键词：PLC；PID；变频器The Design of the Particleboard Production LineControl System Based on PLCUndergraduate:Qiang HuangSupervisor:Liang YuanABSTRACT:As to Chinese 12th Five-Year Plan, the state go on increasin

4、g the infrastructure investment, and market will need more good quality particleboard. So how to provide cheap, reliable performance, energy saving and easy maintenance particleboard production equipment need to be resolved. This thesisintroducethe production line control system based on Siemens S7-

5、200 Series PLC. In this system, pressure sensors responsible for detecting wood shavings amount. Glue from the glue pump, the electromagnetic flowmeters responsible for the detection of flow; wood shavings and glue should be put in the mixer with a certain proportion, and then getthe mixed material

6、into a process autoclave molding. Wood shavings and glue keep contently, whichhas a certain percentage, the glue changes with the wood shavings, error 3%; the shavings loop use proportion to control, the plastic loop use PI to control. Biaxial mixer use two symmetrical shape of the spiral axis to ro

7、tate synchronously, mixer spray adhesive allows glue to be sprayed into the wood shavings. This system is equipped with glue mixing machinethat mixthe curing agent and glue in it, instead of gettingcuring agent add to the glue. This system stirs regularly, which can save glue. The gel stiring system

8、 is centrally controlled by PLC, the PLC get the shavings weight, moisture content according to the ministries sensor to adjust the amount of size. Shavings after sizing moisture control in the ideal state. The advantage of the temporary shutdown of production lines, can avoid wasting glum, which sa

9、ving much of money and raw materials.key words： PLC；PID； Frequency Converter目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc324332908HYPERLINK l _Toc3243329091 绪论 PAGEREF _Toc324332909 h 1HYPERLINK l _Toc3243329142拌胶机控制系统的技术概述 PAGEREF _Toc324332914 h 3HYPERLINK l _Toc3243329152.1 PLC 技术概述 PAGEREF _Toc324332915 h

10、 3HYPERLINK l _Toc3243329162.1.1可编程控制器 PAGEREF _Toc324332916 h 3HYPERLINK l _Toc3243329172.1.2 PLC的结构 PAGEREF _Toc324332917 h 3HYPERLINK l _Toc3243329202.1.3 PLC的特点 PAGEREF _Toc324332920 h 4HYPERLINK l _Toc3243329222.1.4 PLC的基本功能 PAGEREF _Toc324332922 h 5HYPERLINK l _Toc3243329232.2 变频器简介 PAGEREF _T

11、oc324332923 h 6HYPERLINK l _Toc3243329242.3 S7-200编程软件概述 PAGEREF _Toc324332924 h 6HYPERLINK l _Toc3243329252.3.1 STEP 7- Micro/WIN32(西门子S7-200编程软件) PAGEREF _Toc324332925 h 6HYPERLINK l _Toc3243329272.3.2 STEP 7- Micro/WIN32梯形图简介 PAGEREF _Toc324332927 h 7HYPERLINK l _Toc3243329282.4 PID在模拟量闭环控制系统中的应用

12、 PAGEREF _Toc324332928 h 7HYPERLINK l _Toc3243329292.4.1 PID控制的特点与常用方法 PAGEREF _Toc324332929 h 7HYPERLINK l _Toc3243329312.4.2 PID控制器的数字化 PAGEREF _Toc324332931 h 8HYPERLINK l _Toc3243329333拌胶机控制系统的设计方案 PAGEREF _Toc324332933 h 11HYPERLINK l _Toc3243329343.1 系统工艺流程 PAGEREF _Toc324332934 h 11HYPERLINK

13、l _Toc3243329353.2 拌胶控制系统硬件选型 PAGEREF _Toc324332935 h 11HYPERLINK l _Toc3243329363.2.1 PLC选型 PAGEREF _Toc324332936 h 11HYPERLINK l _Toc3243329373.2.2 变频器选型 PAGEREF _Toc324332937 h 13HYPERLINK l _Toc3243329383.2.3 差压变送器选型 PAGEREF _Toc324332938 h 13HYPERLINK l _Toc3243329393.2.4 电磁流量计选型 PAGEREF _Toc32

14、4332939 h 14HYPERLINK l _Toc3243329403.3 控制系统软件设计 PAGEREF _Toc324332940 h 14HYPERLINK l _Toc3243329463.4 数模输入输出地址分配表 PAGEREF _Toc324332946 h 16HYPERLINK l _Toc3243329473.5 搅拌机系统程序流程图 PAGEREF _Toc324332947 h 17HYPERLINK l _Toc3243329553.6 系统程序 PAGEREF _Toc324332955 h 18HYPERLINK l _Toc3243329563.7 拌胶

15、控制系统仿真 PAGEREF _Toc324332956 h 21HYPERLINK l _Toc324332957总结 PAGEREF _Toc324332957 h 22HYPERLINK l _Toc324332958展望 PAGEREF _Toc324332958 h 23HYPERLINK l _Toc324332959致 PAGEREF _Toc324332959 h 24HYPERLINK l _Toc324332960参考文献 PAGEREF _Toc324332960 h 251绪论刨花板是将木材等原材料切削成一定规格的碎片，经过干燥，拌以胶粘剂、硬化剂、防水剂，在一定的温度

16、下压制而成的一种人造板材。普通刨花板的强度没有同规格的胶合板强度高，但制造胶合板所使用的原木质量要求较高，并且木材利用率较低。因此，在刨花板生产中开辟了一个新的分支，这就是采用特殊的加工工艺，用细径劣质材制造出具有定向结构的高强度新型刨花板，即定向刨花板。定向刨花板是刨花板新品种之一，刨花铺装成型时，将搅拌刨花板按其纤维方向纵行排列，压制而成的刨花板。定向刨花板表面覆以锯末、碎屑等细料，芯部充以定向刨花的结构板材，具有性价比高、产品性能优良、产品用途广泛等特点。本文在简单介绍PLC的基础上，通过分析控制系统的要求，采用了西门子S7-200系列PLC与扩展的EM231、EM232功能模块，设计了

17、以PLC为核心的随动控制系统（其中EM231有4个模拟量输入通道，EM232有2个模拟量输出通道）主要对刨花生产环节中的拌胶、搅拌过程进行控制，以实现拌胶均匀、节省原料的目的。一 基于PLC的拌胶机控制系统的特点（一）施胶机具有如下主要特点：1 采用螺旋进料，保证先进料先施胶，后进料后施胶，避免有些刨花重复施胶；2 改进了冷却系统，上、下壳体和中轴无不流动死角，冷却均匀；3 低速搅拌，不使刨花破损；4 改进了注胶位置和方式，保证施胶均匀； 设备特别适用于施胶量少的麦秸杆生产线和保证刨花形态的定向刨花板生产线，对原刨花生产线也可以做到在保证同等物理力学性能的基础上，施胶量降低8%（二）拌胶机对比

18、传统拌胶系统特点：1 树脂消耗量减少58%；2对比前一代搅拌机有更好的板子技术性能；3 稳定的技术指标；4 一周清理一次搅拌机；5 减小边缘速度使得机器磨损减少50%；6 几乎不因为混合而破坏刨花形态1。（三）PID控制具有以下的优点：1不用求出控制系统的数学模型。2PID控制器的结构典型，程序设计简单，易于实现，参数调整方便。3 有较强的灵活性和适应性。用可编程控制器对模拟量进行PID控制时，可采用以下几种方法：1 使用PID过程控制模块PID模块控制程序存放在扩展模块中，用户在使用时只需设置一些参数，使用起来非常方便，一个模块可以控制多个闭环回路。2 自编程序实现PID闭环控制有的可编程序

19、控制器没有PID过程控制模块与功能指令，如果要改进的PID控制算法，都需要用户自己编制PID控制程序2。二 以下是各工段工艺流程的简单说明：1备料工段刨花板生产线原料经削片、筛选后送到木片料仓进行过渡储存。2干燥筛选打磨工段湿刨花经运输机送到转子式刨花干燥机进行干燥，经过干燥的刨花在进行刨花分选（筛选）。3调胶施胶工段合格的表芯层干刨花经刨花给料机量后送到拌胶机中，同时调供胶工段将工艺所要求的胶液送到拌胶机中，刨花和胶液在表芯层拌胶机的充分搅拌下，达到均匀混合充分施胶的效果。4铺装热压成型工段施胶后的刨花经皮带运输机送至机械分级铺装机，由机械分级铺装机组铺装出均匀平整的板坯。板坯经多道工序送到

20、装板机的装机吊笼中，由装机吊笼将板坯送到多层热压机中进行热压成型。5后处理工段停留在卸板机中的毛板经卸板运输机送至冷却进板运输机，由冷却进板运输机送到凉板机中进行冷却。6 后期加工主要包括对从热压机中取出的板材进行冷却、裁边、砂光、检验、分等、修补等加工3。2拌胶机控制系统的技术概述2.1 PLC 技术概述2.1.1可编程控制器可编程控制器简称PC（英文全称：Programmable Controller），是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。它采用一类可编程的存储器，用于其部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控

21、制各种类型的机械或生产过程。于上世纪中叶后被发明，在机床、各种流水线的输送机械、发电、化工、电子等行业工艺设备的电气控制方面得到了广泛的应用。它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC和可编程序控制器PC几个时期的发展。为与个人计算机（PC）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个名称。 它具有功能强大、使用可靠、维修简便等许多优点。随着科学技术的飞跃发展，PLC也不断得到完善和强大，同时它的功能也大大超过了逻辑控制的围，如联网通信功能和自诊断功能等。因此今天这种装置被我们称作可编程控制器，简称为PLC 4。2.1.2 PLC的结构一 中央处理单元(C

22、PU)CPU是PLC的核心，负责完成逻辑运算、数字运算与协调系统各部分工作。每套PLC至少有一个CPU。PLC的CPU一般分三类：通用微处理器、单片机和专用微处理器。小型PLC大多采用8位处理器和单片机；大中型PLC大多采用16位或32位微处理器和单片机。它在系统程序的管理下运行，主要功能有：1 接收并存储由编程器输入的用户程序和数据；2 诊断电源故障与用户程序的语法错误；3 读取输入状态和数据并存储到相应的存储区；4 读取用户程序指令，解释执行用户程序，完成逻辑运算等。二 存储器PLC的存储器包括系统程序存储器和用户程序存储器。1 系统程序存储器 系统程序存储器用于存放系统程序，系统程序在出

23、厂时已经被固化在PROM和EPROM中。这部分存储区不对用户开放，用户程序不能访问和修改。2 用户程序存储器 用户程序存储器分为程序存储区和数据存储区。程序存储区用于存放用户编写的控制程序，数据存储区存放的是程序执行所需要产生的中间数据，包括输入输出过程映像、定时器、计数器的预置值和当前值等。3PLC电源单元PLC电源单元为PLC提供工作电源。有些电源单元也可通过PLC的IO接口向负载提供直流24V电源。PLC的电源一般采用开关电源，输入电压围宽，抗干扰力强。电源单元还提供掉电保护电路和后备电池电源，以维持部分RAM存储器的容在外界电源断电后不会丢失。4 输入/输出（I/O）模块I/O单元是P

24、LC与工业现场的接口，现场信号与PLC之间的联络通过IO单元来实现。IO单元的输入和输出信号包括数字量和模拟量两类，另外还包括一些功能模块，例如PID控制模块。中央处理器将输入输出的电信号转换为电平信号，输出至被控对象，如电磁阀，接触器、执行机构等。作为抗干扰措施，输入输出单元都带有光电耦合电路，将PLC与外部电路隔离。5 接口单元接口单元包括扩展接口、通信借口、编程器接口和存储器接口等。PLC的IO单元也属于借口单元畴，它完成PLC与工业现场之间电信号的联系。另外，PLC与其他外接设备和信号的联系都需要相应的接口单元。主要包括IO扩展接口、通信借口、编程器借口、存储器接口、其他外部设备借口。

25、6 外部设备PLC的外部设备主要包括编程设备、监控设备、存储设备、输入输出设备，这里主要介绍编程设备。编程器用来编制、编辑、调试和监视用户程序，并且能调用和显示PLC的一些部状态和系统参数。编程器分简易型和智能型两种。简易型编程器只能联机编程，它通过编程器接口与PLC连接。智能型编程器即可联机编程又可脱机编程，还以远离PLC插到现场控制站的相应接口进行编程。采用个人计算机作为PLC系统的开发工具是目前的发展趋势，各厂家均提供可安装在个人计算机上的专用编程软件，用户可直接在计算机上联机或脱机编程，开发功能强大，具备监控能力、通信能力，还可对用户程序进行仿真5。2.1.3 PLC的特点1具有可靠性

26、高，适用于工业环境可编程控制器在硬件设计方面，采用了一些提高可靠性的措施。一方面采用更先可靠的原件、加工工艺进行制造，加强了抗干扰能力；另一方面存储器容可以自行警报、诊断、便于维修等；与此同时，系统的维修简单，维修时间短，可靠性得到提高。2 控制程序可变，具有很好的柔性在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改变程序就可满足。因此，除单机控制外，PLC在柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）,以致工厂自动化（FA）中也被大量采用。且编程方法简便易学，使用方便。3 功能完善现代PLC具有数字和模拟量输入输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序控制、PID调节、

27、各种智能模块、远程IO模块、通信、人-机对话、自诊断、组态、记录和图形显示等功能。处理适用于离散型开关量控制系统外，现在也能适用于流程控制系统，从而使设备的控制水平大大提高。4安装简单，维修方便 PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相连，即可投入运行。由于PLC有完善的自诊断功能，输入输出均有明显的指示，在线监控软件的功能很强。因此，很容易进行维修，能很快查找出故障的原因。5体积小，重量轻，省电与传统的控制系统相比，PLC的体积很小，而且PLC用软件取代了继电器控制系统量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的体积缩小。由于PLC体

28、积小，很容易装在机械设备部，是实现机电一体化的理想控制设备。由于减少了中间继电器、时间继电器、计数器等器件线圈用电，PLC消耗的电能只是传统控制系统的1312。6 PLC的性价比高 随着集成电路芯片功能的提高，价格的降低，PLC硬件的价格也一直不断的在下降。虽然PLC的软件价格在系统中所占的比重在不断提升，但由于缩短了整个工程项目的设计和编程时间，减少了投运费用以与缩短了整个投运周期，因此，使用PLC的总造价是低廉的，而且还呈不断下降的趋势。PLC网络具有较高的性能价格比，使得PLC在工厂中备受欢迎，用量高居首位，成为现代工业自动化三大支柱之首6。2.1.4 PLC的基本功能1 逻辑控制功能逻

29、辑控制功能就是位处理功能，是PLC的最基本功能之一。PLC设置有“与”（AND）、“或”（OR）、“非”（NOT）等逻辑指令，利用这些指令，根据外部现场（开关、按扭或其他传感器）的状态，按照指定的逻辑进行运算处理后，将结果输出到现场的被控对象（电磁阀、电机等）。2 定时控制功能定时控制功能是PLC的最基本的功能之一。PLC中有许多可供用户使用的定时器，其功能类似于继电器线路中的时间继电器。3 计数控制功能计数控制功能是PLC的最基本功能之一。PLC为用户提供了许多计数器，计数器计数到某一数值时，产生一个状态信号（计数值到），利用该状态信号实现对某个操作的计数控制。4 数据处理功能PLC大部分都

30、具有数据处理功能，可以实现算术运算、数据比较、数据传送、数据移位、数制转换、译码编码等操作。5 回路控制功能有些PLC具有模数转换、数模转换功能，可以方便地完成对模拟量的控制和调节。6 监控功能PLC设置了较强的监控功能，利用编程器可对PLC运行状态进行监视。利用编程器，可以调整定时器、计数器的设定值和当前值，并可以根据需要改变PLC部逻辑信号的状态与数据区的数据容，为调试和维护提供了极大的方便。7 停电记忆功能PLC部的部分RAM设置了停电保持器件，以保持PLC断电后的数据容不变；电源恢复后，PLC继续工作。8 故障诊断功能PLC可以对系统硬件、指令等进行自诊断，发现异常情况，发出报警并显示

31、错误类型，必要时则自动中止运行7。2.2 变频器简介变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。2.3 S7-200编程软件概述2.3.1 STEP 7

32、- Micro/WIN32(西门子S7-200编程软件)STEP 7- Micro/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，支持32位Windos95/98/2000NT4.0使用环境，其基本功能是创建、编辑调试用户程序、系统组态等。1硬件要求要求个人计算机（PC）配置：CPU为80586或更高的处理器，16MB的存；VGA显示器；硬盘空间至少50MB；Microsoft Windos 所支持的鼠标。使用PC/PPI电缆可将计算机与PLC连接。2软件要求STEP 7- Micro/WIN32可以安装在下列操作系统平台上；Microsoft Windows 1995Microsoft

33、Windows 1998Microsoft Windows 2000Microsoft Windows XP2.3.2 STEP 7- Micro/WIN32梯形图简介在西门子S7-200的图形编程语言中，常见的有梯形图、程序流程图、顺序功能图，其中又以梯形图最长用。梯形图是PLC使用的最多的图形编程语言，被称为PLC第一编程语言。梯形图与电气控制系统的电路图相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌控，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图中左、右垂直线称为左、右母线。STEP7-MicroWin32梯形图编辑器在绘图时，通常将右母线省略。在左右母线之间是由触电、线圈或功能框组合的有序排列。

34、梯形图的输入总是在图形的左边，输出总是在图形的右边，因而触点与左母线相连，线圈或功能框终止右母线，从而构成一个梯级。在一个梯级中，左右母线之间是一个完整的“电路”，不允许“短路”、“开路”，也不允许“能流”反向流动8。以下是梯形图的程序界面:图2.3.2 PLC梯形图2.4 PID在模拟量闭环控制系统中的应用2.4.1 PID控制的特点与常用方法一 PID控制在工业生产中使用广泛，用闭环控制方式来控制温度、压力、流量等连续变化的模拟量， PID控制具有以下的优点：1不用求出控制系统的数学模型。2PID控制器的结构典型，程序设计简单，易于实现，参数调整方便。3 有较强的灵活性和适应性。二 用可编

35、程控制器对模拟量进行PID控制时，可采用以下几种方法：1 使用PID过程控制模块PID模块控制程序存放在扩展模块中，用户在使用时只需设置一些参数，使用起来非常方便，一个模块可以控制多个闭环回路。2 自编程序实现PID闭环控制有的可编程序控制器没有PID过程控制模块与功能指令，如果要改进的PID控制算法，都需要用户自己编制PID控制程序。三 用可编程控制器对模拟量进行PID控制时，可采用以下几种方法：1使用PID过程控制模块这种模块的PID控制程序是可编程序控制器生产厂家设计的，并存放在模块中，用户在使用时只需设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。但是这种模块的

36、价格昂贵，一般在大型控制系统中使用。2用自编的程序实现PID闭环控制有的可编程序控制器没有PID过程控制模块和PID控制用的功能指令，有时虽然可以使用PID控制指令，但是希望采用某种改进的PID控制算法。在上述情况下，都需要用户自己编制PID控制程序7。2.4.2 PID控制器的数字化典型的PID模拟控制系统如图(2.4.1)所示。图中sp(t)是给定值，pv(t)为反馈量，c(t)为系统输出量，PID控制器的输入输出关系式为： 式(2.1) 即输出=比例项+积分项+微分项+输出的初始值，(2.1)式中，M(t)是控制器的输出，误差信号e(t)=sp(t)-pv(t)，Minitial是回路输

37、出的初始值，Kc是PID回路的增益，Ti和Td分别是积分时间常数和微分时间常数。式(2.1)中等号右边前3项分别是比例、积分、微分部分，它们分别与误差、误差的积分和微分成比。如果取其中的一项或两项，可以组成 P、PD或PI控制器。需要较好的动态品质和较高的稳态精度时，可以选用PI控制方式；控制对象的惯性滞后较大时，应选择PID控制方式。计算机模拟量闭环控制系统如图(2.4.2)所示，虚线部分在可编程控制器。图中的sp(t)、pv(t)、e(t)、M(n)均为第n次采样时的数字量，pv(t)、m(t)、c(t)为模拟量。假设采样周期为Ts，系统开始运行的时间为t=0，用巨型积分来近似精确积分，用

38、差分近似精确微分，将式（2.1）离散化，第次采样时控制器的输出为： 式（2.2）式中，e(n)是第n次采样时的误差值，e(n-1)是第n-1次采样时的误差值，Kc、Ki和Ad分别是PID回路的增益、积分项的系数和微分项的系数。将式（2.2）化简为式，每一次计算只需要保存上一次的误差e(n-1)和上一次的积分项MX： 式（2.3）CPU 实际使用的改进型PID算法的算式为： 式（2.4）式中右边3项依次是比例项、积分项和微分项。（1）比例项 式（2.5）式中的SPn和PVn分别是第n次采样时的给定值和过程变量值（反馈值） SP(t) M(t) C(t) PV(t) PID调节 器执行机构控制对象

39、测量元件图2.4.1模拟量闭环控制系统方框图 执行机 构控制对 象测量元件 PID调节器D/AA/D图3.3.2计算机闭环控制系统方框图图2.4.2 PLC模拟量闭环控制系统方框图（2）积分项积分项与误差的累加和成正比，其计算公式为： 式（2.6）式（2.6）中，Ts是采样时间隔，Ti是积分时间常数，MX是前面所有积分项之和。每次计算出后，需要用它去更新MXn在第一次计算时MXn的初值为控制器的初值Minitial。（3）微分项微分项MD与误差的变化率成正比，其计算式为： 式（2.7）为了避免给定值变化引起的微分部分的跳变，可另给定值不便(SPn=SPn-1),微分项的算式变为： 式（2.8）

40、为了下一次计算，必须保存过程变量PVn-1,而不是保存误差。初始化时令PVn-1=PVn。在许多控制系统，可能只需要P、I、D中的一种或两种控制类型。例如，可能只要求比例控制或比例与积分控制。通过设置参数可对回路控制类型进行选择8。如果不需要积分作用，可将积分时间设为无穷大。因为有积分的初值MX，即使没有积分运算，积分项得数值也可能不为零。如果不想要微分作用，可令微分时间为0.0。如果不想要比例作用，但是需要积分或需要积分和微分控制，应将回路增益设为0.0。因为回路增益是计算积分与微分项公式的系数，系统在计算积分项与微分项时，令回路增益Kc为1.09。3拌胶机控制系统的设计方案3.1 系统工艺

41、流程随动系统是指当某参量的变化规律为无法预先确定的时间函数，其被控量能以一定的精度跟该参量变化的控制系统，本文中以刨花拌胶控制过程为例。根据控制要求，刨花拌胶系统的特点是使刨花形态的质量好，生产率高，刨削单位体积刨花的能耗低，自动化程度高，操作维修方便，安全可靠性高，是理想的高品质刨花制备设备10。刨花由螺旋给料机供给，螺旋给料机由PLC模拟量输出信号控制的变频器来控制其调速，压力传感器检测刨花量。胶由胶泵抽给，胶由电磁流量计检测胶流量，胶泵由PLC模拟量输出信号控制的变频器来使其调速；胶量的设定可以进行随动切换，一种是胶量直接给定方式，另一种是胶量与压力传感器测量值设定的比例关系。当给系统设

42、定一个刨花量后，在随动方式确定后，胶量便会随之产生。刨花回路采用比例控制，胶回路采用PI控制，刨花和胶要按一定的比率送到搅拌机搅拌，然后将混料供给下一道工序蒸压成型。要求刨花量和胶量恒定，并有一定的比例关系，即胶量随刨花量的变化而变化，误差要求小于3%,其工艺流程如图3.1所示： 图3.1 刨花搅拌机工艺流程图3.2拌胶控制系统硬件选型3.2.1 PLC选型 搅拌机控制系统的输入信号有7个，其中用于启动、停止、随动3个开关量信号，其中刨花设定、压力传感器、胶设定、电磁流量计为4个模拟量信号；输出信号有两个，用以驱动胶泵电机调速器与螺旋给料机驱动器2两个模拟量输出信号。根据I/O信号的数量、类型

43、以与控制要求，选择西门子S7-200系列CPU-224主机，因为PLC224型不含模拟量模块，而EM231有4个模拟量输入通道，EM232有2个模拟量输出通道，所以增加了模拟量模块EM231和EM232以满足控制要求，详细的外部接线图所示。图3.2.1 PLC-224型电源接线图西门子S7-200系列PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、易于维护等特点，以下是系西门子S7-200 CPU224型的电气原理接线图。图3.2.3 PLC电气原理接线图图3.2.3 PLC模拟量模块接线图说明: a、图中接线模拟量输入为0-20mA电流信号； b、图中接线模拟量输出为0-20mA电流信号；c、模

44、块拨码位置示意为0-20mA电流信号的情况。3.2.2变频器选型根据系统的实际工艺与运用场合与系统经济性考虑，选择了正泰NIO1系列通用变频器，改型变频器采用空间电压矢量控制技术与死区补偿技术，具有上电自动启动和瞬时停电再启动、检测失速再同步、自动转差补偿、任意直线运转、恒电压控制、故障试恢复、多段速运行、节能运行等功能，配有RS232、485通讯接口，完全能满足系统各种不同的需求11。3.2.3 差压变送器选型 差压变送器测量的是单个气体或液体的压强大小，是个绝对量。用于测量液体、气体和蒸汽的液位、密度和压力，然后将其转变成4-20mADC的电流信号输出。压力传感器在搅拌机控制系统主要测量刨

45、花的重量，压力传感器通常也称差压变送器。在刨花拌胶系统中，根据工艺要求与使用环境选择EJA130A型差压变送器来检测刨花量，满足系统需求。EJA130A型差压变送器具有一下特点：1结构简单、体积小、质量小，且精确度和可靠性高。2不同规格产品的外形尺寸一样，标准化、系列化程度高，装配、调整、使用方便。3由于它采用开环技术，对测量元件和放大器的要求较高12。3.2.4电磁流量计选型电磁流量计搅拌机控制系统中主要测量胶的流量，搅拌机用的胶属于腐蚀性介质,属于粘稠液体，电磁流量计能够满足这一要求。根据系统控制要求即使用环境选择了KY-LDE电磁流量计，可以输出420mA电流信号供记录、调节和控制用，其

46、具有以下特点：1 测量不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的影响 ；2 抗干扰性强，EMC（电磁兼容性）指标符合国家标准 3 使用寿命长，无故障运行时间30000小时；4 防护等级可达IP68，水下沉浸10米；5 多种通讯方式，通讯接口配置有RS232、RS485等13。3.3控制系统软件设计 1 PI控制回路简介根据系统控制要求，要求胶量和刨花量恒定，并有一定比例关系，即胶量随刨花量的变化而变化，误差要求3%；刨花回路采用比例控制，胶回路采用PI控制。图 3.3 刨花量和胶量的PI控制回路2 PID控制器的参数设定随动工作时，螺旋给料机是由电机拖动，通过调节电机转速来调节给料速度，而电

47、机调速应该采用变频调节，变频器的加减速时间现场很少低于2秒，因此系统相应最快1秒；另外扫描周期设定过快将刺激增益的产生，这样更加难以控制。结合以上情况，将随动比例关系设置为0.8倍。根据以上情况，在刨花生产控制系统中，将刨花回路和胶回路的PID回路参数都设定如图3.3.3，PID模块各参数配置如下：给定值围:0.0-0.1，比例增益:0.1，采样时间:1.0，积分时间:5分钟。图 3.3.3 PID参数设置图3.4数模输入输出地址分配表根据系统工艺需求，得出模拟量、数字量输入输出地址分配表，如表3.4.1和表3.4.2所示。表3.4.1 模拟量输入输出地址分配表序号变量号变量名备注1AIW0刨

48、花给定量设定2AIW2压力传感器3AIW4胶水给定量4AIW6流量计5AQW0刨花机变频器6AQW2胶泵变频器表3.4.2 数字量输入输出地址分配表序号变量号变量名备注1I0.0系统启动2I0.1系统停止3I0.3随动切换闭合式随动投入4Q0.1变频器1启动指示5Q0.2变频器2启动指示6Q0.3刨花机变频器1启动7Q0.4胶水泵变频器2启动3.5搅拌机系统程序流程图根据系统的工艺流程和要求，得出了系统程序流程图，如图3.5所示。开始初始化PID表刨花调节刨花给料机是否随动YESNO胶设定控制面板设定随动比例值K随动状态结束胶调节图3.5 系统程序流程图3.6系统程序刨花拌胶生产控制系统梯形图

49、程序语言：3.7 拌胶控制系统仿真S7-200的仿真软件本身存在一定缺陷，不能识别一些指令和扩展的功能模块，所以系统的仿真只能通过编程软件STEP 7- Micro/WIN中的PID调节控制面板用图形方式监视PID回路。图3.6给出了在自整定过程中PID控制器的给定值SP、输出MV和过程变量PV的变化情况。使用控制面板时，首先应将至少有一个PID回路的用户程序下载到CPU，为了显示PID回路的操作，STEP 7- Micro/WIN应与S7-200建立起通信连接，PLC必须处于（RUN）模式。执行菜单命令“工具”“PID调节控制面板”,打开控制面板后，可以观察到过程变量PV、控制器输出MV和设定值SP的变化曲线和当前的数字。图3.6 PID调节过程变化曲线 根据图3.6所示，系统设定初始值SP为80.00，随着积分时间的变化，反馈量PV和给定量SP趋于相等，输出量最终也趋于稳定，从而实现了系统的仿真。总结本文设计的搅拌机控制系统具有拌胶均匀、施胶量低等功能，在生产线临时停机时，可以避免胶的浪费。而且还具有刨花形态的质量好，生产率高，刨削体积刨花的单位能耗低，自动化程度高，操作维修方便，安全可靠性高等特点。 本文设计的搅拌控制